Gebäudeautomation
# Gebäudeautomation

Als Gebäudeautomation (GA) oder Domotik wird im Bauwesen die Gesamtheit von Überwachungs-, Steuer-, Regel- und Optimierungseinrichtungen in Gebäuden bezeichnet. Als Teil der Versorgungstechnik ist die GA ein wichtiger Bestandteil des technischen Energiemanagements. Als Hauptziel wird häufig die gewerkeübergreifende, selbstständige (automatische) Durchführung von Funktionsabläufen, nach vorgegebenen Einstellwerten (Parametern) oder deren Bedienung bzw. Überwachung zu vereinfachen. Um dieses Ziel zu erreichen werden alle Sensoren, Aktoren, Bedienelemente, Verbraucher und andere technische Anlagen im Gebäude miteinander vernetzt. Abläufe können in Szenarien zusammengefasst werden. Kennzeichnendes Merkmal ist die dezentrale Anordnung der Automationsstationen (AS) sowie die durchgängige Vernetzung mittels eines Kommunikations-Netzwerks bzw. Bussystems.

## Bezug zum administrativen Facilitymanagement

Zur Umsetzung des administrativen Facilitymanagements werden eine Vielzahl an Informationen (Grundfläche, Nutzungsart, Energiebedarf usw.) zu den betriebenen Gebäuden benötigt. Die Unterstützung des administrativen Facilitymanagements durch die Informationstechnik wird als Computer-Aided Facility Management (CAFM) bezeichnet. Die Gebäudeautomation kann im Rahmen des technischen Facilitymanagements einen Teil der benötigten Informationen zur Verfügung stellen. Somit kann die Software der Managementebene oder Gebäudeleittechnik (GLT) mit dem computer-aided facility management verknüpft werden. Durch die aktive Steuerung der technischen Gebäudeausrüstung gehen die Aufgaben der Gebäudeautomation allerdings über die reine Informationsbereitstellung weit hinaus.

## Technologische Grundlagen

### Technische Elemente

Bestandteile beim Aufbau eines Systems zur Gebäudeautomation sind:

* Automationseinrichtungen (Steuerungseinheiten DDC-GA)
* Schaltschrank
* Feldgeräte, wie Sensoren und Aktoren
* Raumautomationssystem
* Verkabelung und Bussysteme
* Server und Gateways
* Management- und Bedieneinrichtungen (veraltet: Gebäudeleitsystem) (Software zur Visualisierung der Informationen)

### Technische Philosophie der Gebäudeautomation

**Herstellerunabhängigkeit / offene Systeme**

Herstellerunabhängigkeit und offene Systeme sind als Schlagwörter seit Jahren ein zentrales Thema im Bereich der Gebäudeautomation. Häufig wird Herstellerunabhängigkeit von den Nutzern gefordert, von den GA-Herstellern jedoch nicht konsequent umgesetzt und auf Grund von Wirtschaftsinteressen torpediert. Jedoch bieten immer mehr Anbieter Systeme mit genormter Kommunikation an, wie zum Beispiel dem BACnet. Durch Produkte, die konform mit einem genormten Protokoll sind, ist die Interoperabilität (Anbindung) verschiedener Automationseinrichtungen mit geringem Aufwand möglich.

Jedoch wird Herstellerunabhängigkeit in der Gebäudeautomation dadurch definiert, dass ein System installiert wird, das dem Betreiber die Möglichkeit gibt, Fabrikate mehrerer Hersteller ohne größere Probleme miteinander kommunizieren zu lassen. Die Abhängigkeit vom Hersteller wird dabei nicht gelöst, sondern nur gelockert. Wobei sich die Kuriosität ergibt, dass es bei diversen DDC-GA-Herstellern für die DDC-GA-Komponenten Preislisten gibt, jedoch für die Gateways je nach Projekt politische Preise generiert werden. Dieser Zustand hält an, solange die Ausschreibungen mit LV-Texten der Hersteller anstatt mit dem neutralen Standardleistungsbuch für das Bauwesen erfolgen. Wenn die Planung und Ausschreibung neutral nach VDI 3814 oder der EN ISO 16484 erfolgt, entsteht diese Markteinschränkung nicht.

Die Abhängigkeit vom Errichter bezüglich der Bestandsanlagen, der Wartung nach VDMA oder der Beseitigung von Schäden besteht weiterhin, da es aus Kostenaspekten in der Regel (bis zum Jahr 2010) illusorisch war, einen Controller (DDC-GA) im Schaltschrank gegen einen anderen zu ersetzen. Bei Neubauten oder Erweiterungen wird jedoch Ausschreibungsfreiheit ermöglicht und somit Investitionssicherheit geschaffen. Zudem ergibt sich die Möglichkeit, zusätzliche Liegenschaften aufzuschalten, die bisher wegen unterschiedlicher Fabrikate separat geregelt und überwacht wurden. Die unterschiedlichen Fabrikate ergaben sich, weil die Gebäudeautomation dem Gewerk Heizung oder Lüftung als Subunternehmer zugeschlagen wurde. Eine Folge können überhöhte Betriebskosten sein.

**Vernetzung**

Heutzutage geht der Trend nicht nur bei der klassischen Gebäudeautomatisierung mit dem Stand der Technik in Richtung multimediale Vernetzung, sondern auch über verschiedene Gewerke hinweg.

Der folgende Text bezieht sich auf die Hausautomation: Bei elektrischen Haushaltsgeräten (Weiße Ware) besteht eine anhaltende Tendenz in Richtung Vernetzung, meist über Powerline-Lösungen. So entwickelt BSH Hausgeräte serve@Home, von Miele gibt es Miele@home-Produkte und in der Schweiz findet man ZUG-Home der Firma V-Zug. Die Darstellung der Vernetzung bzw. die Steuerung der Geräte erfolgt hierbei meist über einen Web-Browser und ist manchmal mit anderen Gebäudeautomatisierungslösungen integriert, sodass sich der Kreislauf zur Unterhaltungselektronik bzw. den neuen Medien schließt. Ähnlich sieht es bei Geräten der Unterhaltungselektronik (Braune Ware) und Heizungsgeräten (Rote Ware) aus. Die intelligente Vernetzung in der Gebäudeautomation wird durch technischen Fortschritt vorangetrieben, der die unterschiedlichen Bereiche vereint. Zunehmende Flexibilität der Systeme und sinkende Kostenstrukturen steigern die Nachfrage nach entsprechenden Lösungen – sowohl auf gewerblicher als auch auf privater Seite.

Das Ziel der Vernetzung bei der Weißen, Braunen und Roten Ware ist jeweils, den Mehrwert bei der Gerätenutzung zu steigern und neue (Fern-)Bedienmöglichkeiten zu schaffen. Die zugrunde liegende Technologie als Protokoll-Stack ist meist LON, UPnP oder KNX-Standard-Powerline, wobei der Embedded-Software-Stack häufig auf OSGi (Java) aufsetzt. In der Gebäudeautomation, aber auch schon in der Raumautomation, hat sich global das BACnet-Protokoll durchgesetzt – so kann sich heute kein Anbieter mehr leisten, nicht BACnet anzubieten. Infolgedessen entsteht eine gesamtheitliche Lösung mit einheitlicher Bedienung.

### Basis-Technologien für die Gebäudeautomation

**Leittechnik und Managementsysteme zur Fernwartung**

Zum Einsatz kommen meist proprietäre Lösungen, beispielsweise zum Remote Management der weiter unten beschriebenen lokalen OSGi-Systeme.

**Management- und Automationsebene**

**OSGi**


    Ein OSGi-Framework ist eine offene, modulare und skalierbare „Service Delivery Plattform“ auf Java-Basis. Sie ermöglicht in ihrer Funktion als Software-Basisplattform für eingebettete Geräte die Vernetzung von intelligenten Endgeräten durch nachträgliche Auslieferung und Installation von Diensten zur Laufzeit. Dies schließt somit die Aufgabe der klassischen Fernsteuerung, Ferndiagnose und -wartung dieser Geräte mit ein. Weiterhin wird die Verteilung von Informationen und multimedialen Unterhaltungsinhalten an diese Geräte über geeignete Protokolle ermöglicht. Der Einsatz von OSGi erfolgt dementsprechend typischerweise in Fahrzeugen (Telematik), mobilen Endgeräten (Handys, PDAs) und im Bereich der Heimvernetzung (Residential Gateways) oder in industriellen Automatisierungslösungen bzw. völlig anders gearteten eingebetteten Systemen. Eines der Anwendungsgebiete dieses offenen Systems ist die Gebäudeautomation, also das hier besprochene technische Facilitymanagement. Dabei können auf demselben Residential Gateway gleichzeitig noch unterschiedliche andere Dienste bereitgestellt werden. Eine große Anzahl von solchen Gateways (also lokaler Managementsysteme) können dann aus der Ferne über ein entsprechendes Remote Management (also ein zentrales Managementsystem) gesteuert und überwacht werden.

**Automations- und Feldbus-Ebene**

**DALI**


    Das Digital Addressable Lighting Interface (DALI) ist ein Steuerprotokoll zur Steuerung digitaler, lichttechnischer Betriebsgeräte in Gebäuden (zum Beispiel elektronischer Transformatoren, EVGs, elektronischer Leistungsdimmer etc.). Jedes Betriebsgerät, das über eine DALI-Schnittstelle verfügt, kann über DALI-Kurzadressen einzeln angesteuert werden. Durch einen bidirektionalen Datenaustausch kann ein DALI-Steuergerät bzw. ein DALI-Gateway den Status von Leuchtmitteln bzw. von Betriebsgeräten einer Leuchte abfragen bzw. den Zustand setzen. DALI kann als „Inselsystem“ mit maximal 64 Betriebsgeräten betrieben werden oder als Subsystem über DALI-Gateways in modernen Gebäudeautomationssystemen.

**Automations- und Feldbus-Ebene**

**EIB**


    Der Europäische Installationsbus (EIB) ist ein Standard nach EN 50090, der beschreibt, wie bei einer Installation Sensoren und Aktoren in einem Haus miteinander verbunden werden müssen. Er legt weiterhin das Kommunikationsprotokoll fest. Der EIB steuert zum Beispiel die Beleuchtung und Jalousien beziehungsweise Beschattungseinrichtungen, die Heizung sowie die Schließ- und Alarmanlage. Mittels EIB ist auch die Fernüberwachung und -steuerung eines Gebäudes möglich. EIB wird derzeit vor allem bei neuen Wohn- und Zweckbauten installiert, kann jedoch auch bei der Modernisierung von Altbauten nachträglich eingebaut werden. EIB-Installationen sind mittlerweile nicht nur im gehobenen Wohnungsbau zu finden. Es werden bereits auch bei preiswerten Fertighäusern EIB-Netzwerke in das Gebäude standardmäßig integriert. Die Kommunikation erfolgt über ein separates, zweipoliges Leitungsnetz oder, vor allem bei Nachrüstungen, über bestehende Stromleitungen mittels Powerline Communication.

**Automations- und Feldbus-Ebene**

**KNX**


    Der Konnex-Bus (KNX) ist ein Standard, der beschreibt, wie in einer Installation u. a. Sensoren und Aktoren miteinander über ein Bus-/Protokoll-System verbunden werden können. Der Bus wurde im Jahre 2002 als Nachfolger aus dem Zusammenschluss der folgenden drei Bussysteme EIB, BatiBus und EHS konzipiert. KNX ist kompatibel zur vorhergehenden Norm EN 50090, welche den EIB-Standard normiert.

**Automations- und Feldbus-Ebene**

**LON**


    Local Operating Network (LON) ist ein Feldbus, welcher vorrangig in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt wird. Dieser Feldbus wurde von der US-amerikanischen Firma Echelon um das Jahr 1990 entwickelt. Die LON-Technologie – mit ANSI/EIA-709.x und EIA-852 standardisiert sowie als EN14908 in das europäische und als ISO/IEC 14908-x in das internationale Normenwerk übernommen – ermöglicht den neutralen Informationsaustausch zwischen Anlagen und Geräten von verschiedensten Herstellern und unabhängig von den Anwendungen.

**Automations- und Feldbus-Ebene**

**SMI**


    Das Standard Motor Interface ist ein Feldbus zum Ansteuern von elektronischen Antrieben, beispielsweise für Jalousien oder Rollläden. Er kann alleine benutzt werden, wird jedoch meist in höhere Bussysteme wie KNX eingebunden. Neben einfacherer Verkabelung ist vor allem die Rückmeldefähigkeit ein deutlicher Vorteil zu konventionellen Antrieben.

**Automations- und Feldbus-Ebene**

**LCN**


    Ein Local Control Network (abgekürzt LCN) ist ein proprietäres Gebäudeautomationssystem für Wohn- und Zweckbauten, das vom deutschen Hard- und Software-Unternehmen Issendorff KG mit Sitz in Rethen (Leine) entwickelt wurde.

**Funkbusse**

Noch vor kurzem versuchte jeder Hersteller sein System alleine durchzufechten, inzwischen gibt es mehrere Hersteller, die sich zu Allianzen formieren um eine größere Interoperabilität zu ermöglichen.

Vorteilhaft der Funkbusse gegenüber den drahtgebundenen ist dabei die einfache Nachrüstmöglichkeit und die Unabhängigkeit von jeglichen Leitungen, weshalb z. B. Lichtschalter, auch nachträglich, beliebig platziert werden können. Zudem sind Funksysteme im Vergleich zu konventionellen Bussystemen oft erheblich günstiger in der Anschaffung. Nachteilig ist, dass solche Systeme untereinander meist nicht oder nur bedingt (z. B. nur ein- und ausschalten) kompatibel sind oder waren.

Eine vermutete Störanfälligkeit wurde unter anderem durch Auswahl der Frequenz verhindert und ist bislang nicht aufgetreten.

Hier die wichtigsten Protokolle/Hersteller:

* KNX-RF – auch ISO/IEC 14543-3, Funkübertragung auf 868 MHz des KNX-Standards, eine Erweiterung des EIB (EN 50090)
* ZigBee ist eine Erweiterung des IEEE 802.15.4, wiederum eine Modifikation für sparsamen IEEE-802.11-Betrieb (868 MHz EU / 902 MHz USA / 2,4 GHz).
* Enocean Alliance, eine Non-Profit-Organisation zur Sicherung der Interoperabilität der Produkte die auf den internationalen Standard ISO/IEC 14543-3-10 basieren. (Mitglieder sind u. a. Siemens, Viessmann, Wieland Electric, Honeywell-Gruppe, Somfy, Thermokon, Wago, Kieback&Peter, Jäger Direkt, Eltako)
* Die IP500 Alliance entwickelt mit dem Standard IP500 eine Plattform für die Gebäudeautomation, die durch Verwendung und Unterstützung wichtiger Industrienormen sowie klare Spezifikation aller Schnittstellen Interoperabilität sichert. Mitglieder sind u. a. Bosch, Honeywell, Siemens, OMRON, TOYOTA TSUSHO. Verwendet und unterstützt werden IEEE 802.15.4-2006; 6LoWPAN; IPv6; IPSec; BACnet; AES128. Der IP500-Standard erfüllt die Regularien nach EN und VdS für elektronische Geräte in sicherheitsrelevanten Anwendungen wie Brandschutz, Einbruch oder Zutritt.
* Z-Wave Standard der Firma Sigma Designs, die u. a. von der Firma Danfoss, COQON und der Merten GmbH eingesetzt werden. (868 MHz EU/902 MHz USA)
* Thread Group. Eine Erweiterung des IEEE 802.15.4 (wie ZigBee). ZigBee Dotdot ist auf Thread lauffähig. Gründungsmitglieder: Nest (Google/Alphabet), ARM, Silicon Labs, Samsung, Qualcomm.
* HOMEeasy (ELRO)
* Bluetooth, sowie Bluetooth Mesh als Erweiterung von Bluetooth Low Energy
* (WLAN)

### Weitere zur Gebäudeautomation verwendete Bussysteme

* KNX
* BACnet
* Controller Area Network (CAN)
* Digital Addressable Lighting Interface (DALI)
* EtherCAT
* Ethernet
* EIA-485
* Interbus
* Modbus
* Profibus
* Profinet
* PLC-BUS
* eBus
* OpenTherm
* X10

### Raumautomation

**Einordnung innerhalb der Gebäudeautomation**

Der steigenden Bedeutung der Raumautomation ist die DIN 276 – Kosten im Bauwesen – im Jahre 2006 nachgekommen, indem diese als eigene Kostengruppe 484 im Rahmen der Kostengruppe 480 „Gebäudeautomation“ aufgenommen wurde. Die Abbildung 1 zeigt die Gebäudeautomation mit ihren Teilsystemen

* Gebäudemanagementsystem (auch GLT oder SCADA),
* (Anlagen-)Automationssystem (auch DDC-GA) inkl. Schaltschränken und
* Raumautomationssystem.

Neben der ursprünglichen Bedeutung für die Kostenschätzung und -abrechnung gibt das Bild auch die Beziehung der Teilsysteme untereinander wieder. Diese Beziehungen sind kommunikativer Art und dienen dem Datenaustausch zwischen den Systemen. Während die Kommunikation zwischen Raumautomation und Anlagenautomation hauptsächlich der bedarfsgeführten Anlagenregelung gilt, dienen die Schnittstellen beider Automationssysteme zum Managementsystem überwiegend der Visualisierung, Bedienung oder Trendaufzeichnung.

**Hardwareaufbau**

Im Gegensatz zur Anlagenautomation dehnt sich ein Raumautomationssystem im Allgemeinen über alle Flächen und Etagen eines Gebäudes aus. Dieser Umstand hat Auswirkungen auf den prinzipiellen Aufbau eines Raumautomationssystems. Ein Raumautomationssystem ist generell dezentraler aufgebaut und besteht aus einer hohen Anzahl kommunikationsfähiger Geräte mit jeweils einem spezifischen Leistungsumfang. Erst durch das Zusammenspiel mehrerer Geräte wird deshalb eine Raumautomationsfunktion realisiert.

Z. B. wird eine Konstantlichtregelung (s. u.) erst durch den Datenaustausch zwischen einem Multisensor für Helligkeit und Anwesenheit und einem Dimmaktor möglich. Falls der Nutzer eine Übersteuerungsmöglichkeit erhalten soll, erfolgt diese über ein drittes Gerät, das Raumbediengerät (siehe Abbildung 2).

**Kommunikationsprotokolle**

Um die Kommunikation zwischen den Geräten zuverlässig zu ermöglichen, nutzte man in der Vergangenheit meist sogenannte Bussysteme. Die wichtigsten offenen und genormten Bussysteme innerhalb der Raumautomation sind EIB/KNX und LON. Als drittes genormtes System kommt noch BACnet infrage, wobei die Verbreitung dieses Systems innerhalb der Raumautomation noch gering ist. Die erstgenannten Systeme haben den Vorteil, dass sie in freien Netzwerktopologien arbeiten, so dass die Geräte nicht in einer Linienstruktur verdrahtet werden müssen.

Heute setzen jedoch immer mehr Hersteller auf Funksysteme, weil sich diese leichter installieren lassen und preiswerter sind. So können Wohnungen und Häuser auch im Nachhinein noch automatisiert werden, ohne Wände aufzureißen. Die wichtigsten Protokolle dabei sind ZigBee, Z-Wave, HomeMatic, EnOcean, KNX-RF, DECT, Bluetooth und WLAN. Während Bluetooth und WLAN mit ihrer Frequenz im 2.400 MHz-Bereich nicht so gut durch Wände dringen, gelingt das anderen Protokollen im Frequenzbereich von zirka 868 MHz und 1.900 MHz besser. DECT reicht mit 50 bis 100 Metern in Gebäuden am weitesten. Nur wenige Sensoren und Aktoren bietet DECT, diese lassen sich zudem nicht mit anderen Systemen verbinden. Ein umfangreiches Sortiment bieten hingegen ZigBee, Z-Wave, Enocean und HomeMatic.

**Systemaufbau**

Das Rückgrat (Backbone) eines Raumautomationssystems, d. h. die Verbindung zwischen Etagen und Gebäudeteilen, bildet z. B. ein TCP/IP-basierendes Netzwerk (LAN), da alle erwähnten Bussysteme über eine entsprechende Protokolldefinition verfügen. Wegen der Vorteile einer freien Netzwerktopologie wird zur Verkabelung der Geräte auf den Etagen ein Twisted-Pair-Kabel gewählt, das wahlweise auch die erforderliche Spannungsversorgung der Geräte mitführen kann (Power over Ethernet). Den Übergang vom Backbone zu den Etagensegmenten bilden IP-Router. Abbildung 3 zeigt einen solchen Systemaufbau, in dem alle Teilsysteme das gemeinsame Backbone nutzen.

### Übertragungsmethoden

Derzeit gibt es eine große Vielfalt zueinander kompatibler Basistechnologien zur Vernetzung. Hier die wichtigsten:

| Technologie | Übertragung | Frequenzbereich (nur Funk) | Verschlüsselung | Proprietär |
| - | - | - | - | - |
| smart PLACE | Datenleitung | | | ja |
| ZigBee Pro | Funk | 2,4 GHz, 868 MHz (je nach Umsetzung) | AES-128 | nein |
| DigitalSTROM | Stromleitung | | | ja |
| Z-Wave Plus | Funk | 868 MHz | AES-128 | nein |
| Z-Wave | Funk | 868 MHz | AES-128 | nein |
| Enocean | Funk | 315 MHz (u. a. Asien) 868 MHz (u. a. Europa, China) 902 MHz (u. a. USA, Canada) 928 MHz (u. a. Japan) | AES-128 | nein |
| HomeMatic | Funk/Datenleitung | 868,3 MHz | AES Authentifizierung | ja |
| LCN | Stromleitung + Datenleitung | | keine | ja |
| KNX-RF | Funk | 868 MHz | keine | nein |
| KNX-PL | Stromleitung | | keine | nein |
| KNX-TP | Datenleitung | | nur mit KNX Secure | nein |
| KNX-zertifizierte Busleitung | Datenleitung (J-Y(ST)Y 2×2×0,8) | | nur mit KNX Secure | ja |
| Wi-Fi | Funk | 2,4 GHz, selten 5 GHz | WPA3, WPA2 u. ä. | nein |
| Bluetooth | Funk | 2,4 GHz | AES-128 | nein |
| io-homecontrol | Funk | 868–870 MHz | AES-128 | ja |
| DECT ULE | Funk | 1880 bis 1900 MHz | AES | nein |
| DALI | Stromleitung | | ? | ? |
| DMX | Datenleitung | | keine | nein |
| Loxone Air | Funk | 868 MHz (SRD Band Europe) 915 MHz (ISM-Band Region 2) | IPsec | ja |
| Loxone Tree | Datenleitung | | | ja |
| eNet | Funk | 868,3 MHz | AES-128 | ja |
| Busch-free@home | Datenleitung + Funk | 2,4 GHz | AES-128 | ja |
| Rademacher DuoFern | Funk, bidirektional | 434,5 MHz | | ja |
| Moeller / EATON xComfort | Funk, bidirektional | 868,3 MHz (Short Range Device) | | ja (API für 3rd-Party) |
| BRELAG / Dominoswiss | Funk | 868 MHz | | ja |
| KNOCKAUT TITAN System | Datenleitung + Funk | | | |
